瞬变电磁法在探查铁新煤矿老空区的应用

孙 浩

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

1 探测区水文地质条件

我国煤炭资源丰富且地域分布辽阔，从而导致煤矿水文地质条件复杂，成为世界上矿井水害最严重的国家之一[1]。近年在我国常见的水害事故中，老空水水害所占比例约在70% ～ 80%之间，老空水突水具有时间短破坏性强等特点[2]，虽然水量不大，一般不致造成淹井的害，但水量集中，来势迅猛，一旦揭露，具有很大的冲击力和破坏力，对人身安全的危害极大，严重威胁矿井的安全生产[3]。

铁新煤矿位于山西省灵石县两渡镇的汾河以北，太西村—闫家山村—新庄一带，主要开采2#煤层，其周边的2座小煤窑现已全部关闭，由于滥采造成边界不清，加之铁新井田内地质构造复杂，溶岩裂隙发育，水源补给充足，若在采掘工程中揭露小煤窑造成突水，将严重威胁煤矿的安全生产[4-5]。因此，为了减少和消除小窑采空区积水对矿井安全生产的影响，从地面采用新型物探手段，对小窑采空区进行精细探查和研究，评价其富水性，提出小窑采空区综合防治措施，为铁新煤矿的安全高效开采提供系统的地质资料保障[6-7]。

2 探测方法

瞬变电磁法或称时间域电磁法(简称TEM)，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。简单地说，瞬变电磁法的基本原理就是电磁感应定律。其基本工作方法是：于地面或空中设置通以一定电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次电磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流：断电后，感应电流由于损耗而随时间衰减。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小; 而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征[8]。

本次物探方法选用HA-M300型矿用瞬变电磁仪，该仪器具有抗干扰轻便自动化程度高等特点 数据采集由微机控制，自动记录和存储，与微机连接可实现数据回放。

本次地面探测面积为1 km2，采用500×500 m发射线圈，共布置测线26条，测线线距为40 m，测线上测点间距为20 m，测线总计26000 m，完成地面物理测点1326个。

3 探测成果及解释

3.1 剖面探测成果

在视电阻率剖面图上，正常情况即地层在不受采空区、富水区域、含导水构造影响的情况下，煤系地层的电性变化有一定的规律性，反映在视电阻率剖面图上为视电阻率值变化稳定，等值线呈似层状分布，变化平缓；相反，当存在高阻采空区、低阻富水区域、含导水构造时，则视电阻率等值线发生扭曲、变形或呈密集条带状等，在彩色视电阻率剖面图上则更加直观。

测线剖面图中对应2#煤标高资料可以看出：测线8、测线10、测线11、测线12均呈现不同程度的采空区地球物理特征(见图1、图2、图3、图4)。

图1显示，在深度600～800 m处出现一段低阻异常带。其他区域异常不明显。在2#煤层附近，测线450 m处、测线800 m处等值线变化比较明显，均显示为浅色，说明此处可能具有富水性。

图1 测线8视电阻率深度剖面图

图2显示，在深度600～700 m处出现一段低阻异常带。在2#煤层附近，测线400 m处、测线800 m处等值线变化比较明显，均显示为浅色，说明此处可能具有富水性。

图3显示，在2#煤层附近，测线450 m处、测线750 m处等值线变化比较明显，均显示为浅色，说明此处可能具有富水性。

图4显示，在深度600～700 m处出现一段低阻异常带。在2#煤层附近，测线350 m处、测线750 m处等值线变化比较明显，均显示为浅色，说明2#煤层处可能存在老空积水区域。

图2 测线10视电阻率深度剖面图

图3 测线11视电阻率深度剖面图

图4 测线12视电阻率深度剖面图

以上各图均显示在深度600～700 m处出现一段低阻异常带。且在2#煤层附近，测线300～900 m之间均显示为浅色，说明2#煤层处可能存在老空积水区域。为详细了解采空区情况，需要通过近煤层视电阻率切片图进一步细化分析，以确定采空范围情况。

3.2 切片图解释

由于各煤层埋藏深度不同，各煤层视电阻率值的绝对大小也有所不同，资料解释时是根据同一煤层视电阻率值的相对大小进行分析的。探测区域煤底板标高为540 m～560 m，为进一步对老空区分布范围进行分析解释，因此对2#煤及其附近作出3个切片，以分析解释老空区的位置。

绘制的各层位切片图结果如下(见图5、图6、图7)，其中以测线1的第一个测点为坐标原点，测线方向(北向)为Y方向，X方向为东向。

图5 地面瞬变电磁标高480 m切片图

图6 地面瞬变电磁标高540 m切片图

图5～7中蓝色表示为相对低阻，红色表示为相对高阻，其他为中间过渡色。整体上看，在整个测区范围内，视电阻率变化较大，高低相间，变化极不均匀，说明该深度煤层破坏较严重。在2#煤层下方，即标高480 m处，图中低阻区域不是很明显，可能是由于地层是泥岩等富水程度低的层位。在2#煤附近，即540～560 m处，出现了大面积的低阻异常。其中，在X=200到X=800，Y=200到Y=800处，出现比较明显的低阻，尤其是X=300到X=500，Y=300到Y=800处,呈哑铃型，中间细，两端大。其他低阻区域零星分布。因此，根据电性差异，解释出老空积水区的大体位置见图8：

图7 地面瞬变电磁标高560 m切片图

图8 划定老空区范围示意图

其中外边框为探测工区范围，椭圆圈定范围为老空区的大体范围，其中富水区域为图中阴影部分。老空富水区面积约88081 m2，周长约1763 m，其中老空富水区距离探测工区的南边框约278 m，老空富水区东西向最长约318 m。

3.3 积水量计算

其中，QC为有水力联系的煤层采空区积水量之和，m3；K为采空区或巷道的充水系数，一般取0.25～0.5；M为采空区平均采厚或煤厚，m；F为采空积水区的水平投影面积，m2；α为煤层倾角，(°)。

此次计算，我们取K为0.5，M为1.2 m，α为4.78°。计算得出老空积水量大致为53033 m3。

4 结论及建议

(1) 根据探测数据进行了测线剖面分析和2#层位切片分析，得出了老空区的大致范围，周长约1763 m，其中老空富水区距离探测工区的南边框约278 m，老空富水区东西向最长约318 m。

(2) 结合地面物探手段圈定出的老窑积水区的大体边界，据此划定“缓冲安全带”，确定起探标高，边探边掘。

(3) 探放水必须分煤层进行，严格按规程要求，以不漏掉一个积水老巷或老空为原则。

[1] 虎维岳. 矿山水害防治理论与方法[M]. 北京: 煤炭工业出版社，2005．

[2] 吴发红. 老塘水的预测与防治[J]. 煤炭技术，2004，23(4):59.

[3] 王志平. 山西地方煤矿常见水患浅析[J]. 煤炭技术，2003，22(12):54-56．

[4] 刘会明. 上组煤老空积水对下组煤开采的影响分析[J].山西焦煤科技，2012，6:49-52．

[5] 孙吉益，李玉宝. 井下瞬变电磁技术在含水陷落柱治理中的应用[J]. 华北科技学院学报，2009，6(4):47-50．

[6] 张开元，韩自豪，周韬. 瞬变电磁法在探测煤矿采空区中的应用[J]. 工程地球物理学报，2007，4(4):341-343．

[7] 王文祥，杨武洋. 瞬论与天然电磁波法勘探[M]. 西安: 陕西人民出版社，2002.

[8] 张军,赵莹,李萍. 矿井瞬变电磁法在超前探测中的应用研究[J]. 工程地球物理学报,2012,1:49-53.